(57)【要約】  燃料電池と、その燃料入口に液状燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料排液を収容する排液タンクと、燃料排液を排液タンクに導く燃料排出路と、未消費酸化剤および生成水を含む流体から生成水の一部を分離するとともに残部を外部に放出する気液分離機構と、分離された生成水を排液タンクに導く生成水排出路とを具備し、気液分離機構は、酸化剤出口と外部とを連通する排気口と、排気口を塞ぐ多孔質フィルタと、多孔質フィルタの酸化剤出口側の表面を部分的に被覆する吸水性材料と、を有する、直接酸化型燃料電池システム。
2012001839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのセルと、液状燃料を導入する燃料入口と、燃料排液を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する燃料電池と、
前記燃料入口に前記液状燃料を供給する燃料供給部と、
前記酸化剤入口に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記燃料排液と、前記生成水の一部と、を収容する排液タンクと、
前記燃料排液を前記排液タンクに導く燃料排出路と、
前記流体から前記生成水の一部を分離するとともに残部を外部に放出する気液分離機構と、
前記分離された生成水を前記排液タンクに導く生成水排出路と、を具備し、
前記気液分離機構は、
前記酸化剤出口と外部とを連通する排気口と、
前記排気口を塞ぐ多孔質フィルタと、
前記多孔質フィルタの前記酸化剤出口側の表面を部分的に被覆する吸水性材料と、を有する、直接酸化型燃料電池システム。
【請求項２】
前記多孔質フィルタが、平均細孔径０．４〜１．２ｍｍの細孔を有する、請求項１記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項３】
前記多孔質フィルタが、カーボンシートからなる、請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項４】
前記カーボンシートには親水性が付与されている、請求項３記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項５】
前記多孔質フィルタの前記酸化剤出口側の表面の６０〜９０％が、前記吸水性材料で被覆されている、請求項１〜４のいずれかに記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項６】
前記生成水排出路が、前記吸水性材料に保持された前記生成水を吸引する吸引ポンプを具備する、請求項１〜５のいずれかに記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料供給部は、
前記排液タンクから、前記燃料入口に、前記生成水で希釈された前記燃料排液を循環させる循環ポンプと、
補充燃料を含む燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給される前記補充燃料を前記希釈された燃料排液と合流させる合流部と、を具備する、請求項１〜６のいずれかに記載の直接酸化型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール型燃料電池等を含む直接酸化型燃料電池システムに関し、詳しくは、発電時に燃料電池のカソードで生成する流体から水分を分離する気液分離機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、車載用電源、及び家庭用コージェネレーションシステム用電源等として実用化されつつある。近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器の電源として燃料電池を用いることも検討されている。燃料電池は燃料の補充によって連続発電が可能であることから、携帯小型電子機器の利便性をさらに向上させ得るものと期待されている。【０００３】
燃料電池のなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を直接酸化して電気エネルギを取り出すため、小型化が容易である。燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ効率及び発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れており、ＤＯＦＣの中で最も有望視されている。【０００４】
燃料電池は、複数のセルが直列に接続されたスタックを含む。各セルは、電解質膜と電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード及びカソードとを含む膜−電極接合体、アノードに接するアノード側セパレータ、ならびに  カソードに接するカソード側セパレータを含む。アノード側セパレータは、アノードに液状燃料を供給するための燃料流路を有し、カソード側セパレータは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する。液状燃料および酸化剤は、ポンプなどの供給装置により、燃料電池に供給される。【０００５】
ＤＭＦＣのアノード及びカソードでの反応を以下にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- 
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ【０００６】
アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素が生成する。二酸化炭素と未反応燃料とを含む燃料排液は排液タンクに送られる。一方、カソードでは、アノードで消費される以上の水が生成する。水と未反応酸素を含む流体の一部は排液タンクに送られる。【０００７】
アノードから排出される二酸化炭素や、カソードから排出される流体（通常、水蒸気と酸素）の残部は、外部に放出される。そこで、特許文献１は、外部に放出される流体を浄化するためのフィルタをその流体が通過する配管内に設けることを提案している。また、特許文献２は、カソードから排出される水蒸気が周囲の機器に影響を与えないように、吸水シートに吸収させることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１８３０１４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
カソードから外部に放出される流体は水蒸気を含むため、特許文献１のように、流体が通過する配管内にフィルタを設けると、フィルタ内に凝集水が蓄積され、次第に流体の通過を妨げるようになる。その結果、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失が増大し、ポンプなどの酸化剤の供給装置の消費電力が増大する。【００１０】
また、特許文献２のように、吸水シートに水蒸気を吸収させようとしても、流体の流通経路と吸水シートとの位置関係に依存して、局所的に凝集水が蓄積される可能性が高く、結局、流体の通過を妨げるようになる。また、燃料電池に隣接するように吸水シートを配置するだけでは、外部に放出される水蒸気の量を制御することが困難である。よって、排液タンクに回収する水量の制御も困難になる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の直接酸化型燃料電池システムは、少なくとも１つのセルと、液状燃料を導入する燃料入口と、燃料排液を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する燃料電池と、燃料入口に前記液状燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤入口に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料排液と生成水の一部とを収容する排液タンクと、燃料排液を排液タンクに導く燃料排出路と、流体から生成水の一部を分離するとともに残部を外部に放出する気液分離機構と、分離された生成水を前記排液タンクに導く生成水排出路と、を具備する。
ここで、気液分離機構は、酸化剤出口と外部とを連通する排気口と、排気口を塞ぐ多孔質フィルタと、多孔質フィルタの酸化剤出口側の表面を部分的に被覆する吸水性材料と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失の増大が抑制される。
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】同システムが具備する燃料電池の電極面に垂直な断面図である。
【図３】同システムが具備する気液分離機構の概略構成図である。
【図４】同気液分離機構が具備するフィルタ部の概略構成図である。
【図５】同システムが具備する気液分離機構と吸引ポンプとの関係を示す概略構成図である。
【図６Ａ】同気液分離機構が具備する排液タンクの概略構成図である。
【図６Ｂ】同排液タンクのVIｂ−VIｂ線矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照して、本発明の直接酸化型燃料電池システムについて説明する。
燃料電池システム１が具備する燃料電池２は、本体２ａと、液状燃料を導入する燃料入口２ｂと、燃料排液を放出する燃料出口２ｃと、酸化剤を導入する酸化剤入口２ｄと、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口２ｅとを有する。本体２ａは、一般に、２以上のセルを電気的に直列に接続するように積層したスタックを含んでいる。
【００１５】
まず、図２を参照して、セルの構造について説明する。
セル１０は、直接メタノール型燃料電池のセルであり、高分子電解質膜１２と、高分子電解質膜１２を間に挟むように配置されたアノード１４及びカソード１６を含んでいる。高分子電解質膜１２は、水素イオン伝導性を有している。アノード１４には、燃料であるメタノールが供給される。カソード１６には、酸化剤である空気が供給される。
【００１６】
アノード１４、高分子電解質膜１２及びカソード１６の積層方向において、アノード１４の上にはアノード側セパレータ２６が積層され、アノード側セパレータ２６の更に上には端板４６Ａが配置されている。また、カソード１６の上（図では下方向）にはカソード側セパレータ３６が積層され、カソード側セパレータ３６の更に上には端板４６Ｂが配置されている。セル１０が２以上積層される場合には、端板４６Ａ及び４６Ｂはセル毎に設けられず、セルスタックの積層方向の両端に１つずつ配置される。各端版は、燃料電池の出力端子２ｘおよび２ｙに送られる電力を中継する集電板として機能し、電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１０２を介して、図示しない外部負荷や蓄電池１０３に送られる。
【００１７】
アノード側セパレータ２６と高分子電解質膜１２との間には、アノード１４を囲むようにガスケット４２が配置され、カソード側セパレータ３６と高分子電解質膜１２との間には、カソード１６を囲むようにガスケット４４が配置されている。ガスケット４２及び４４は、それぞれ、燃料及び酸化剤がアノード１４及びカソード１６から外部に漏れるのを防止する。
【００１８】
２つの端板４６Ａ及び４６Ｂは、図示しないボルト及びバネ等により、各セパレータとＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）とを加圧するように互いに締結されて、セル１０が構成されている。
【００１９】
アノード１４は、アノード触媒層１８及びアノード拡散層２０を含む。アノード触媒層１８は、高分子電解質膜１２に接している。アノード拡散層２０は、撥水処理が施されたアノード多孔質基材２４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層２２を含む。アノード撥水層２２及びアノード多孔質基材２４は、この順番で、アノード触媒層１８の高分子電解質膜１２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２０】
カソード１６は、カソード触媒層２８及びカソード拡散層３０を含む。カソード触媒層２８は、高分子電解質膜１２のアノード触媒層１８が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層３０は、撥水処理が施されたカソード多孔質基材３４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層３２を含む。カソード撥水層３２及びカソード多孔質基材３４は、この順番で、カソード触媒層２８の高分子電解質膜１２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２１】
高分子電解質膜１２、アノード触媒層１８及びカソード触媒層２８からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。また、ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０とからなる積層体である。アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０は、アノード１４及びカソード１６に供給される燃料及び酸化剤の均一な分散を担うとともに、生成物である水及び二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
【００２２】
アノード側セパレータ２６は、アノード多孔質基材２４との接触面に、アノード１４に燃料を供給するための燃料流路３８を有している。燃料流路３８は、例えば、上記接触面に形成され、アノード多孔質基材２４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。燃料流路は、燃料電池本体２ａの燃料入口２ｂおよび燃料出口２ｃと連絡している。
【００２３】
カソード側セパレータ３６は、カソード多孔質基材３４との接触面に、カソード１６に酸化剤（空気）を供給するための酸化剤流路４０を有している。酸化剤流路４０も、例えば、上記接触面に形成され、カソード多孔質基材３４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。酸化剤流路は、燃料電池本体２ａの酸化剤入口２ｄおよび酸化剤出口２ｅと連絡している。
【００２４】
燃料電池システム１は、更に、燃料入口に液状燃料を供給する燃料供給部を構成する燃料ポンプ３と、酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給部を構成する空気ポンプ４とを具備する。燃料ポンプ３および空気ポンプ４の出力は、通常、所定の制御装置５により制御される。このような制御装置５には、演算部５ａを備えたマイクロコンピュータなどが用いられる。
【００２５】
燃料ポンプ３は、高濃度の補充燃料６ａを含む燃料タンク６および排液タンク７と連絡している。補充燃料は、燃料ポンプの上流または下流に設けられた合流部８で、燃料排液６ｂと合流する。その結果、補充燃料６ａにより濃度調整された液状燃料６ｃが、燃料電池の燃料入口２ｂに導かれる。すなわち、燃料ポンプ３は、排液タンク７から、燃料入口に燃料排液を循環させる循環ポンプとしての役割を担っている。合流部８は、補充燃料６ａと燃料排液６ｂとを一時的に滞留させるとともに混合する混合タンクを有してもよい。
【００２６】
燃料供給部は、少なくとも燃料ポンプ（第１燃料ポンプ）３を含むが、制御装置５内の燃料ポンプ３を制御する部分、燃料タンク６および補充燃料を燃料排液と合流させる合流部８の少なくとも１つを、燃料供給部の一部と解釈してもよい。また、燃料供給部は、別途、排液タンク７から合流部８に燃料排液６ｂを導く循環ポンプ（第２燃料ポンプ）を含んでもよい。燃料供給部は、更に、燃料タンク６と合流部８との間に、合流部８へ導かれる補充燃料６ａの量を制御するための補充燃料ポンプ（第３燃料ポンプ）を含んでもよい。第２および第３燃料ポンプの出力は、上記の制御装置５により制御すればよい。
【００２７】
液状燃料６ｃは、燃料入口２ｂから燃料流路に導入され、燃料を消費しつつ流路を通過し、最終的には二酸化炭素を含んだ燃料排液として燃料出口２ｃから排出される。燃料排液中の燃料濃度は減少しているが、未反応燃料を含むため、二酸化炭素を分離した後、再利用に供される。そのために、燃料排液は、燃料出口２ｃと排液タンク７とを連絡する燃料排出路９を通って、排液タンク７に回収される。
【００２８】
二酸化炭素の分離方法は、特に限定されないが、例えば、排液タンク７に窓部を設け、当該窓部を、二酸化炭素を通過させる気液分離膜で塞ぐことにより、外部に排出することができる。排液タンク７の内部には、液量を測定するセンサとして、一対の電極７ａを設けることが好ましい。このようにすることで、電極７ａ間の静電容量により液量をモニタすることができる。また、排液タンク７の内部または外部には、液温度を制御するための温度制御装置７ｂを設けることが好ましい。
【００２９】
空気ポンプ４は、外部から空気を取り込み、酸化剤として燃料電池の酸化剤入口２ｄに導く役割を果たす。酸化剤供給部は、少なくとも空気ポンプ４を含むが、制御装置５内の空気ポンプ４を制御する部分を酸化剤供給部の一部と解釈してもよい。空気は、酸化剤入口２ｄから酸化剤流路に導入され、酸素を消費しつつ流路を通過し、最終的には水蒸気（生成水）を含んだ流体として、酸化剤出口２ｅから排出される。排出された流体は、空気ポンプ４からの圧力により、気液分離機構１００に導かれる。
【００３０】
気液分離機構１００では、排出された流体から生成水の一部を分離し、残部を外部に放出する。燃料としてメタノールを用いる場合、理論上は、アノードで水が１モル消費される毎に、カソードで水が３モル生成する。したがって、生成水のうち、１モル分の量の水を回収することにより、理論上は、システム内の水量をほぼ一定に維持することができる。残りの２モル分の量の水は気液分離機構１００を介して外部に放出される。分離された生成水は、生成水排水路１０１を通って、排液タンク７に回収される。生成水排水路１０１は、気液分離機構１００と排液タンク７とを連絡している。
【００３１】
ここで、図３を参照して、気液分離機構１００の構造について説明する。
気液分離機構１００は、酸化剤出口２ｅと外部とを連通する排気口１０４と、排気口１０４を塞ぐ多孔質フィルタ１０５と、多孔質フィルタ１０５の酸化剤出口側の表面を部分的に被覆する吸水性材料１０６とを具備する。
【００３２】
酸化剤出口２ｅと外部とを連通する排気口１０４は、未消費酸化剤（未反応酸素）を含む空気を外部に放出するための開口である。排気口１０４は、カソードから排出された流体が外部に放出される場合には、必ずそこを通過するように設けられる。排気口１０４は、燃料電池の酸化剤出口２ｅを規制する部材に設けてもよく、そのような部材に隣接する別部材に設けてもよい。
【００３３】
図３の場合、燃料電池の酸化剤出口２ｅは、燃料電池本体２ａの構成部材で規制されている。気液分離機構１００は、筐体１０７とフィルタ部（図４参照）とで構成されており、フィルタ部は、多孔質フィルタ１０５と吸水性材料１０６とで構成されている。筐体１０７は、酸化剤出口２ｅとほぼ同じ形状を有し、酸化剤出口と直結する第１開口１０７ａと、第１開口に対向して設けられた第２開口（排気口）１０４とを有する。第２開口１０４は、多孔質フィルタ１０５で塞がれているが、吸水性材料１０６は、多孔質フィルタ１０５を部分的に被覆するように筐体１０７内に収容されている。よって、カソードから排出される流体は、主に多孔質フィルタ１０５の吸水性材料１０６で被覆されていない領域（以下、第１領域）Ｓ１を通過して、外部に放出される。
【００３４】
ただし、カソードから排出される流体は、水分を含んでいるため、多孔質フィルタ１０５の細孔内で凝集し、水分が多孔質フィルタ１０５内に蓄積される。この水分は、多孔質フィルタ１０５の吸水性材料１０６で被覆された領域（第２領域）Ｓ２を介して、例えば毛細管現象により、吸水性材料１０６に移動する。第１領域Ｓ１では、常に空気が流通しているため、水分が揮発しやすくなっている。よって、第１領域Ｓ１には水分が蓄積されにくく、空気ポンプの圧力損失の増大は抑制される。
【００３５】
すなわち、水分の分布は、多孔質フィルタ１０５の第１領域Ｓ１で最も少なく、吸水性材料１０６で最も多くなっている。このように、フィルタ部内において、水分の分布を変化させることにより、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失の増大が抑制され、更に、適量の水蒸気を外部へ放出するとともに、必要量の水分を排液タンク１０７に回収することができる。また、第２開口１０４は多孔質フィルタ１０５で塞がれているため、排気口付近への塵の侵入も防止される。
【００３６】
特に限定されないが、図３のように、第２開口１０４の面積は、第１開口１０７ａの面積よりも小さくすることが好ましい。また、吸水性材料１０６は、第１開口１０７ａと第２開口１０４との間の筒状空間１０９に侵入しないように筐体１０７内に収容することが好ましい。このようにすることで、第２領域Ｓ２を空気が通過することを防止し、水分の過剰な揮発を防ぎやすくなる。また、空気の流通経路を十分に確保できるため、圧力損失の増大を抑制しやすくなる。
【００３７】
吸水性材料１０６に保持可能な許容量を超える水が供給されると、水が重力方向下方に移動する。そこで、例えば、分離された水を排液タンク１０７に回収するために、筐体１０７の重力方向下方に、生成水排出路１０１と連通する連結部１１０を形成する。これにより、水は、逐次、生成水排出路１０１を通って、排液タンク１０７に自動的に回収される。
【００３８】
生成水排出路１０１には、図５に示すように、吸水性材料１０６に保持された水を吸引する吸引ポンプ１１１を設けてもよい。吸引ポンプ１１１により、逐次、吸水性材料１０６から水を吸い取ることにより、多孔質フィルタ１０５から吸水性材料１０６への水の移動を促進することができる。また、重力方向にかかわらず、容易に水を排液タンク１０７に回収することができる。吸引ポンプ１１１は、例えば図５に示すように、吸水性材料１０６中に挿入されるノズル１１２を具備し、ノズル１１２から水が吸引ポンプに送られる。
【００３９】
多孔質フィルタ１０５には、空気を流通させることができる多孔質材料が用いられる。このような材料として、カーボン多孔体、カーボンペーパ、カーボン不織布などのカーボンシートが好ましい。
【００４０】
多孔質材料１０５は、親水性を有することが好ましい。例えば、適度な親水性を付与したカーボンシートが多孔質フィルタとして好適である。親水性を付与したカーボンシートは、水分を取り込み易く、かつ水分を放出しやすいため、多孔質フィルタに過度に水分が蓄積されにくくなる。
【００４１】
次に、カーボンシートの具体的構造について説明する。
例えばカーボン多孔体は、カーボン粉末とバインダとの混合物をシート状に成形することにより得られる。バインダの量は、成形されるシートが適度な細孔容積を有するように適宜調整される。カーボン粉末の粒度分布などの粉体物性についても、所望の平均細孔径や細孔容積に応じて適宜選択される。カーボンペーパ、カーボン不織布などは市販のものを使用できる。
【００４２】
多孔質フィルタ１０５は、平均細孔径０．４〜１．２ｍｍ、更には０．６〜１．０ｍｍの細孔を有することが好ましい。平均細孔径を０．４ｍｍ以上とすることにより、圧力損失の増加抑制に有利であり、平均細孔径を１．２ｍｍ以下とすることにより、水の凝集に有利となる。なお、平均細孔径は、例えばパームポロメータを用いることで測定することができる。
【００４３】
カーボンシートに親水性を付与する方法は、特に限定されないが、例えばアルゴンプラズマ処理などの方法が挙げられる。付与される親水性の程度としては、カーボンシートと水との接触角が１０°以下となる程度が好ましい。なお、接触角は、例えばθ／２法のような方法で測定することができる。
【００４４】
フィルタ部において十分な空気の流通を確保し、圧力損失の増大を抑制するためには、吸水性材料１０６により多孔質フィルタ１０５の酸化剤出口側（吸水性材料側）の全面を被覆しないことが重要である。吸水性材料１０６で被覆される多孔質フィルタ１０５の酸化剤出口側の表面の割合（すなわち第２領域の面積の割合）は、６０〜９０％であることが好ましい。第２領域Ｓ２の面積の割合が小さくなり過ぎると、水が多孔質フィルタ１０５から吸水性材料１０６に移動するのに時間がかかり、多孔質フィルタ１０５に水が蓄積されやすくなる。その結果、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失の増大を抑制する効果が減少する。一方、第２領域Ｓ２の面積の割合が大きくなり過ぎると、第１領域Ｓ１の面積が相対的に小さくなるため、同様に圧力損失の増大を抑制する効果が減少する。
【００４５】
多孔質フィルタ１０５の厚さは、これを構成する多孔質材料の種類により異なるが、例えばカーボンシートを用いる場合、３〜６ｍｍが好ましく、４〜５ｍｍが更に好ましい。多孔質フィルタ１０５が厚すぎると、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失を抑制する効果が小さくなり、多孔質フィルタ１０５が薄すぎると、特に吸水性材料で被覆されない第１領域Ｓ１の強度が小さくなる。
【００４６】
吸水性材料１０６は、多孔質フィルタ１０５よりも水分を吸収しやすく、かつ水分を保持しやすい材料であることが望まれる。具体的には、液体に浸すと孔内の空気と置換される形で液体を吸い取り、外部からの力で容易に放出する特性を有する多孔質材料が好ましい。また、液体を吸収しても見かけ体積が増加しない材料が好ましく、液体を可能な限り含んだ状態でも体積増加率が５％以下となる材料が好ましい。例えば、天然スポンジや合成樹脂製のスポンジ、パルプ、ポリプロピレン／ポリエチレン複合繊維などを好ましく用いることができる。
【００４７】
吸水性材料１０６の厚さ（多孔質フィルタとの接触面に垂直な方向の厚さ）は、特に限定されないが、フィルタ部を小型化しつつ、所定量の水を蓄積できることが望まれるため、例えば４〜８ｍｍとすることが好ましい。
【００４８】
次に、図６Ａおよび６Ｂを参照して、排液タンク７の構造について例示する。
排液タンク７は、例えば、上部に窓部１１３ａを有する容器１１３を含み、その窓部１１３ａを、二酸化炭素を通過させる気液分離膜１１４で塞ぐようにして構成される。気液分離膜１１４には、撥水性材料が好ましく用いられる。例えば、ポリテトラフルオロエチレンの粒子を溶着によりシート状に形成した材料などが用いられる。このような材料は、水蒸気を通過させるため、排液タンク７内の液量が過剰に多くなった場合には、排液タンク１０７を加熱などすると、気液分離膜を介して水分を水蒸気として外部に放出することができる。一方、排液タンク内の液量が過剰に少なくなると、補充燃料を希釈することが困難になるため、排液タンク１０７を冷却したり、気液分離機構１００の吸引ポンプ１１１の出力を向上させたりして、液量を調整することが好ましい。排液タンク７には、液量センサとして一対の電極７ａや、温度センサ１１５を設けることが好ましい。
【００４９】
本発明の燃料電池システムは、水との親和性が高く、常温で液体の燃料を使用する全ての直接酸化型燃料電池に適用可能である。そのような燃料の例としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、蟻酸、エチレングリコール等の炭化水素系液体燃料を挙げることができる。
【００５０】
メタノールを用いる場合、燃料電池のアノードに送られるメタノール水溶液の濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましい。より好ましいメタノール水溶液の濃度は、３ｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌである。燃料として使用するメタノール水溶液は、濃度が高いほど、燃料電池システムを小型化するために有利である。一方、メタノール水溶液の濃度が高すぎると、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）が多くなるおそれがある。
【００５１】
次に、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されない。
（実施例１）
アノード触媒粒子と、それを担持する導電性の担体とを含むアノード触媒担持体を調製した。アノード触媒粒子としては、白金−ルテニウム合金（原子比１：１）（平均粒径：５ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金−ルテニウム合金とカーボン粒子との合計重量に占める白金−ルテニウム合金の重量は、８０重量％とした。
【００５２】
カソード触媒粒子と、それを担持する導電性の担体とを含むカソード触媒担持体を調製した。カソード触媒粒子としては、白金（平均粒径：３ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金とカーボン粒子との合計重量に占める白金の重量は、８０重量％とした。
【００５３】
高分子電解質膜には、厚さ５０μｍのフッ素系高分子膜（パーフルオロカーボンスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）をベースとするフィルム、商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２」、デュポン社製）を使用した。
【００５４】
（ＣＣＭの作製）
（アノードの形成）
アノード触媒担持体の１０ｇと、パーフルオロカーボンスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（ナフィオン分散液、「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、デュポン社製）の７０ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱泡して、アノード触媒層形成用インクを得た。
【００５５】
アノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、高分子電解質膜の一方の表面に吹き付けるようにして塗布し、４０×９０ｍｍの長方形のアノード触媒層を形成した。アノード触媒層の寸法は、マスキングにより調整した。アノード触媒層形成用インクの吹き付け時には、表面温度をヒータにより調整した金属板に、高分子電解質膜を、減圧により吸着させて固定した。アノード触媒層形成用インクは、塗布中に漸次乾燥させるようにした。アノード触媒層の厚みは６１μｍであった。単位面積あたりのＰｔ−Ｒｕの量は、３ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００５６】
（カソードの形成）
カソード触媒担持体の１０ｇと、パーフルオロカーボンスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（前出の商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）の１００ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱泡して、カソード触媒層形成用インクを得た。
【００５７】
カソード触媒層形成用インクを、アノード触媒層を形成したのと同様の方法で、高分子電解質膜のアノード触媒層が形成された面とは反対側の面に塗布した。これにより、４０×９０ｍｍの長方形のカソード触媒層を、高分子電解質膜に形成した。形成されたカソード触媒層に含まれる単位面積あたりのＰｔの量は、１ｍｇ／ｃｍ2であった。
なお、アノード触媒層と、カソード触媒層とは、それぞれの中心（長方形の対角線の交点）が高分子電解質膜の厚さ方向に平行な１つの直線上に位置するように配置した。
以上のようにして、ＣＣＭを作製した。
【００５８】
（ＭＥＡの作製）
（アノード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパ（商品名「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ（株）製）を、希釈されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）に１分間浸漬した。次いで、そのカーボンペーパを、１００℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。次いで、乾燥後のカーボンペーパを、電気炉中において、２７０℃で２時間焼成した。そのようにして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材を得た。
【００５９】
（カソード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパに代えて、カーボンクロス（商品名「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材と同様にして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材を作成した。
【００６０】
（アノード撥水層の作製）
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）とを攪拌機により攪拌して混合することにより、全固形分に占めるＰＴＦＥの含有量が１０重量％であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が９０重量％である撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、アノード多孔質基材の一方側の表面に吹き付けるようにして塗布した。その後、塗布されたインクを、１００℃に温度設定された恒温槽内で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材を、電気炉により、２７０℃で２時間焼成して、界面活性剤を除去した。こうして、アノード多孔質基材上にアノード撥水層を形成し、アノード拡散層を得た。
【００６１】
（カソード撥水層の作製）
カソード多孔質基材の一方の表面に、アノード撥水層と同様にして、カソード撥水層を形成し、カソード拡散層を得た。
【００６２】
アノード拡散層及びカソード拡散層は、いずれも、抜き型を使用して、４０×９０ｍｍの長方形に成形した。
【００６３】
次に、アノード撥水層とアノード触媒層とが接するように、アノード拡散層とＣＣＭとを積層した。また、カソード撥水層とカソード触媒層とが接するように、カソード拡散層とＣＣＭとを積層した。
得られた積層体を、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置により、５ＭＰａの圧力で１分間加圧した。これにより、アノード触媒層とアノード拡散層とを接合するとともに、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。
以上のようにして、アノードと、高分子電解質膜と、カソードとからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００６４】
（ガスケットの配置）
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、５０×１２０ｍｍの長方形に裁断した。さらに、その中央部分を、シートに４２×９２ｍｍの長方形の開口が形成されるようにくり抜いた。このようにして、２枚のガスケットを得た。
一方のガスケットの中央の開口部に、アノードを嵌め込むように配置し、他方のガスケットの中央の開口部に、カソードを嵌め込むように配置した。
【００６５】
（セパレータの作製）
アノード側セパレータの素材として、厚み１．５ｍｍ、サイズ５０×１２０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。その黒鉛板の表面を切削して、メタノール水溶液をアノードに供給する燃料流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、燃料流路の入口部（燃料入口）を配置した。セパレータの短辺側端部の他方には、燃料流路の出口部（燃料出口）を配置した。このようにして、アノード側セパレータを作製した。
【００６６】
同様に、カソード側セパレータの素材として、厚み２ｍｍ、サイズ５０×１２０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。その表面を切削して、酸化剤としての空気をカソードに供給する空気流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、空気流路の入口部（酸化剤入口）を配置した。セパレータの短辺側端部の他方には、空気流路の出口部（酸化剤出口）を配置した。このようにして、カソード側セパレータを作製した。
【００６７】
燃料流路及び空気流路を構成する溝の断面形状は、それぞれ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍとした。また、燃料流路及び空気流路は、それぞれ、アノード拡散層及びカソード拡散層の各部に満遍なく燃料及び空気を供給し得るサーペンタイン型とした。
【００６８】
アノード側セパレータを、燃料流路がアノード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。カソード側セパレータを、空気流路がカソード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。
【００６９】
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータに挟持されたＭＥＡを１０セル分積層し、その積層方向の両端に、厚さ１ｃｍのステンレス鋼板からなる一対の端板を配置した。ここでは、各端板と、各セパレータとの間に、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板と、絶縁板とを配置した。集電板は、セパレータ側に配置し、絶縁板は端板側に配置した。
【００７０】
その状態で、一対の端板を、ボルト、ナット及びばねを用いて互いに締結し、ＭＥＡと各セパレータとを加圧した。
以上のようにして、サイズが５０×１２０ｍｍであるＤＭＦＣのセルスタックを得た。
【００７１】
（気液分離機構の作製）
厚さ４ｍｍ、平均細孔径０．６ｍｍの親水処理を施したカーボンシートを１０ｍｍ×３５ｍｍの形状に切り抜き、多孔質フィルタを得た。多孔質フィルタと水との接触角は１０°であった。
【００７２】
一方、多孔質フィルタと対応する形状の開口（第１開口）を有する容器状のポリプロピレン樹脂製の筐体を成形により得た。この筐体の底部の一方の長辺側に偏った位置に、３×３５ｍｍの第２開口（排気口）を形成した。そして、第２開口を筐体の内側から塞ぐように、多孔質フィルタを筐体内に嵌め込んだ。
【００７３】
次に、厚さ４ｍｍの天然スポンジシート（吸水性材料）を、７ｍｍ×３５ｍｍの形状に切り抜き、筐体内の第２開口と重ならない位置に嵌め込み、多孔質フィルタと接触させた。こうして、筐体内にフィルタ部を形成した。吸水性材料の第１開口側の面は、第１開口を規制する筐体の端部と面一になるようにした。多孔質フィルタの吸水性材料で被覆されていない領域（第１領域）と吸水性材料で被覆された領域（第２領域）の面積割合は、それぞれ３０％と７０％であった。
【００７４】
筐体の側面には、スポンジと対向するように直径２ｍｍの小孔を形成した。この小孔からスポンジ内部に筒状のノズルを差し込み、その後、小孔とノズルの間の隙間をシールした。ノズルの側面には水を吸収するための複数の吸水孔を設けた。筐体外部に導出されたノズルの端部には、シーアイ化成（株）製の吸引ポンプ（ＰＴ０９Ａ−１２−０３）を接続した。
【００７５】
（燃料電池システムの作製）
セルスタックの端面に配置された各セルの燃料入口に、燃料供給部として、日本精密科学（株）製の燃料ポンプ（パーソナルポンプＮＰ−ＫＸ−１００）を接続した。具体的には、各セルの燃料入口にそれぞれシリコンチューブを差し込み、分岐管によりシリコンチューブを合流させて一本の流路を形成し、この流路を燃料ポンプと接続した。
【００７６】
一方、セルスタックの端面に配置された酸化剤入口には、酸化剤供給部として、一般的な空気ポンプではなく、圧縮空気を供給する高圧空気ボンベを、流量を調節するための堀場製作所（株）製のマスフローコントローラを介在させて接続した。具体的には、各セルの酸化剤入口にそれぞれシリコンチューブを差し込み、分岐管によりシリコンチューブを合流させて一本の流路を形成し、この流路をマスフローコントローラと接続した。
【００７７】
排液タンクには、底面が１５×１ｃｍ、高さが３．５ｃｍの直方体のポリプロピレン製の容器を使用した。排液タンクの上面には、気液分離膜として、日東電工（株）製の多孔膜テミッシュを熱溶着により接合した。
【００７８】
燃料ポンプの上流には、合流部として容積３００ｃｍ3のポリプロピレン製の混合タンクを設け、その更に上流に、補充燃料としてメタノールを含むカートリッジ状の燃料タンクを接続した。排液タンクと混合タンクとの間を配管で接続し、当該配管の途中に、循環ポンプとして、燃料ポンプと同じく日本精密科学（株）製のポンプを接続した。
【００７９】
セルスタックの別の端面に配置された各セルの燃料出口には、入口と同様に、シリコンチューブを差し込み、分岐管によりシリコンチューブを合流させて一本の流路を形成し、この流路を排液タンクに接続した。
一方、同じ端面に配置された各セルの酸化剤出口には、総ての酸化剤出口を塞ぐように上記で作製した気液分離機構の筐体の第１開口を直接接続した。
【００８０】
また、気液分離機構内のスポンジに差し込まれたノズルに接続された吸引ポンプ出口側を、配管を介して、排液タンクに接続した。こうして、ノズル、吸引ポンプおよび配管からなる生成水排出路を形成した。
【００８１】
［評価］
燃料ポンプ、循環ポンプおよび吸引ポンプの出力は、マイクロコンピュータにより制御した。具体的には、合流部である混合タンク内の燃料濃度が一定になるように、燃料ポンプ等の出力パラメータを決定して制御した。
上記制御により、アノードには、４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、１０ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給した。カソードには、無加湿の空気を、１５０００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給した。燃料電池の出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、菊水電子工業（株）製の電子負荷装置（ＰＬＺ１６４ＷＡ）に接続した。２００ｍＡ／ｃｍ2の一定の電流密度となるように調節して連続発電を行ったところ、気液分離機構の多孔質フィルタに結露は発生せず、良好な運転状態を維持できた。
以上のように、本発明によれば、カソードに酸化剤を送り込む際の圧力損失の増大が抑制される。
【００８２】
（比較例１）
多孔質フィルタ（厚さ４ｍｍのカーボンシート）の全面を吸水性材料（厚さ４ｍｍの天然スポンジシート）で被覆したこと以外、実施例１と同様の気液分離機構を作製し、これを用いて、実施例１の同様の燃料電池システムを作製し、同様に評価した。その結果、連続発電の途中からは、多孔質フィルタの全面が、水分を保持した吸水性材料で被覆された状態となり、空気を流通させることが困難となり、カソードの圧力損失が増大した。ただし、多孔質フィルタに結露が発生するほどではなかった。
【００８３】
（比較例２）
多孔質フィルタのみを用い、吸水性材料を用いなかったこと以外、実施例１と同様の気液分離機構を作製し、これを用いて、実施例１の同様の燃料電池システムを作製し、同様に評価した。本比較例においては、カーボンシートの柔軟性が不十分であったため、筐体の排気口に多孔質フィルタを密着させることが困難であった。その結果、カソードの圧力損失は低下したが、酸化剤出口から放出されるカソード生成水を気液分離機構で効率良く回収することができず、結露が発生し、セルの電圧低下を招いた。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の燃料電池システムは、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源として有用である。また、本発明の燃料電池システムは、電動スクータ用電源等の用途にも応用することができる。
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【符号の説明】
【００８５】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ｂ  燃料入口
２ｃ  燃料出口
２ｄ  酸化剤入口
２ｅ  酸化剤出口
３  燃料ポンプ
４  空気ポンプ
５  制御装置
６  燃料タンク
７  排液タンク
８  合流部
１００  気液分離機構
１０１  生成水排水路
１０２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０３  蓄電池
１０４  排気口
１０５  多孔質フィルタ
１０６  吸水性材料
１０７  筐体
１０７ａ  第１開口
１１１  吸引ポンプ
１１２  ノズル
【図１】
2012001839.tif 000003
【図２】
2012001839.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2012001839.tif 000009
【国際調査報告】
2012001839.tif 000010
2012001839.tif 000011